一把“化學(xué)剪刀”，將MAX相材料如同吐司面包般“切片”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中間層“金屬夾心”的自由替換——這正是中科院寧波材料所先進(jìn)能源工程材料實(shí)驗(yàn)室主任、研究員黃慶領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，于近日取得的最新成果。
3月17日，該成果以《“化學(xué)剪刀”輔助層狀材料結(jié)構(gòu)編輯》為題，登上國(guó)際頂尖科學(xué)雜志《Science》（中文名《科學(xué)》）。這是中科院寧波材料所首次在《Science》亮相，也標(biāo)志著寧波在材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域攀上了新高峰。
在黃慶領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)里，幾乎人手一個(gè)三階魔方。只是與市面上常見的魔方不同，科研團(tuán)隊(duì)“定制”的三階魔方，表面并非只有純凈的色彩——
每一個(gè)魔方色塊都標(biāo)上了一種元素，來回轉(zhuǎn)動(dòng)間，M代表的前過渡族金屬、A代表的ⅢA和ⅣA主族元素、X代表的碳、氮、硼元素，各選一種排列組合，即可形成一種分子式為Mn+1AXn的MAX相材料。
巧的是，MAX相材料的微觀結(jié)構(gòu)也與魔方類似。
在晶格示意圖中，M、A、X位的三種元素呈層狀排布，其八面體共棱的連接方式，在保留金屬特征的同時(shí)，也讓MAX相材料具備了密度更低、穩(wěn)定性更高、剛度更高的“兩低一高”優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而成為下一輪“超級(jí)材料”的新代表。
不過，放在過去，并非所有魔方轉(zhuǎn)出的“超級(jí)材料”都能在現(xiàn)實(shí)中得到。
通常，MAX相材料由物理冶金方式產(chǎn)生。以Ti2AlC為例，是將鈦金屬、鋁金屬和碳粉等原始材料放在一起燒，依靠高溫和“自然規(guī)律”得到最終產(chǎn)物。
但如果想要將鋁金屬換成鐵、鈀、金等非傳統(tǒng)元素，僅靠高溫則無法實(shí)現(xiàn)。
“這是因?yàn)樵诟邷貤l件下，鐵、鈀、金等非傳統(tǒng)元素不易與‘共棱八面體骨架’形成結(jié)構(gòu)，而是遵從自然規(guī)律，形成鈦鐵、鈦鈀、鈦金等二元化合物?！秉S慶解釋道。
既然僅靠“自然規(guī)律”無法制備，那么便對(duì)已有MAX相材料進(jìn)行“切割手術(shù)”，再將目標(biāo)金屬置換進(jìn)去！
發(fā)現(xiàn)這一思路值得一試后，黃慶當(dāng)即帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)從氧化還原反應(yīng)入手，引入路易斯酸熔鹽和還原性金屬作為“化學(xué)剪刀”，力圖“切開”MAX相材料的層間。
事實(shí)證明，這一思路完全可行，只不過需要多一絲“細(xì)心”作為敲門磚——據(jù)黃慶回憶，從猜想到驗(yàn)證并不漫長(zhǎng)，但成功險(xiǎn)些和科研團(tuán)隊(duì)“擦肩而過”。
在對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行衍射分析時(shí)，科研人員發(fā)現(xiàn)其晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)并未和先前發(fā)生太大變化，于是下意識(shí)以為實(shí)驗(yàn)并沒有成功。
直到后來一次偶然的元素分析，團(tuán)隊(duì)成員才驚覺，原來原化合物中的A位元素早已被徹底替換，只是因?yàn)镸、X位元素形成的“共棱八面體骨架”太過穩(wěn)定，個(gè)中變化才沒有在科研人員面前“顯山露水”。
“成敗就在那一絲細(xì)節(jié)之中。”黃慶坦言，這正是科研的困難之處，所謂“細(xì)節(jié)是魔鬼”，這一刻猜想得到驗(yàn)證的喜悅，值得和經(jīng)驗(yàn)反思牢牢捆綁在一起。
“從思路上進(jìn)行突破，提出完全一種傳統(tǒng)沒有的、顛覆性的技術(shù)，這正是基礎(chǔ)研究的價(jià)值所在。”甬籍院士、中科院寧波材料所先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家柴之芳這樣評(píng)價(jià)該技術(shù)。
他表示，這把“化學(xué)剪刀”是魔幻的，更代表了一種方向、一條道路，目之所及天地寬。
“一方面，這把‘化學(xué)剪刀’能讓無數(shù)以往只存在分子式中的超級(jí)材料走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，廣泛應(yīng)用在電磁屏蔽、電化學(xué)儲(chǔ)能、核材料、催化等領(lǐng)域，帶來極大社會(huì)價(jià)值；另一方面，‘化學(xué)剪刀’的作用范圍并非只有MAX相材料這個(gè)‘點(diǎn)’，而是更廣闊的層狀材料方向。其背后蘊(yùn)含的突破定勢(shì)、交叉融合的思想，一定也是受到《科學(xué)》雜志青睞的原因之一?！辈裰颊f。
（來源：寧波市科技局）
